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引力波能干什么(引力波的存在被证实了吗)

导语:引力波能强大到足以让人感觉到吗?

关于人类能不能感受到引力波的问题,可以先来简单了解一下当初激光干涉引力波天文台(LIGO)是如何探测到引力波的。

根据爱因斯坦的广义相对论,任何有质量的物体在时空中加速运动都会引发时空曲率发生变化,从而辐射出引力波。引力波在穿过物体时,就会对物体产生压缩和拉伸效应。

LIGO设计了两条互相垂直并且长度都为4公里的干涉臂。当引力波通过两条干涉臂时,其中一条会被压缩变短,另一条则会被拉伸变长。如果一束激光由分光器分为两束,它们各自沿着其中一条干涉臂运动,并且被干涉臂另一端的反射器反射出来,然后它们再次相遇。由于引力波穿过,两条干涉臂的长度变得不一样,所以两束在不同时刻抵达接收器的激光就会产生干涉条纹,这样就能探测到引力波。

LIGO首次探测到的引力波(GW150914)来自两个恒星级黑洞的合并,该过程在20毫秒的时间内释放出高达三倍太阳质量的能量,即5.4×10^47焦耳,这相当于太阳在45万亿年里通过氢核聚变反应所释放出的能量(太阳的寿命大约只有100亿年),其功率甚至还超过了可观测宇宙中所有恒星的总辐射功率,所以这是一种极端的能量释放。不过,由于引力波源远在13亿光年之外,其能量会随着距离的平方而大幅衰减,所以到达地球时只有一小部分能量。当该引力波穿过LIGO时,干涉臂的长度变化只有质子直径的千分之一,即100亿亿分之一米。

不过,引力波导致物体尺寸发生变化的幅度并非取决于引力波能量,而是引力波的振幅。引力波的振幅会随着距离的增加而减小,它遵循的是距离反比关系(距离足够近会变为非线性),而非距离平方反比关系。

举个例子,如果距离缩短一半,变为6.5亿光年,引力波导致的尺寸变化也只有50亿亿分之一米。即便距离变为原来的十亿分之一,即1.3光年,引力波也只会使物体的尺寸变化100亿分之一米,即0.1纳米,人类不可能会感受到这样微弱的变化。

为了使人类能够感受到引力波,就必须足够靠近引力波源。产生GW150914引力波的是两个质量都是太阳三十几倍的恒星级黑洞,它们的视界直径大约为200公里,合并之后的那个黑洞直径约为365公里。理论上,只有足够靠近它们,人类才能感受到引力波,但在感受到之前,早就会被这种恒星级黑洞的强大潮汐力所撕碎。

​为了安全起见,可以假设距离为1万公里,在这样的距离上,人类会感受到大约1毫米的尺寸变化,很难说这会对人体造成什么影响。事实上,在这样的距离上就要开始担心黑洞的极端引力作用。

总之,虽然引力波携带了巨大的能量,但它们与物质之间的相互作用其实非常微弱,人类很难直接感受到引力波造成的尺寸变化效应。

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